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土壤重金属污染问题是当前全球关注的环境问题之一，其修复近年来已受到国内外研究的广泛关注。自从Chaney在1983年提出了“植物修复”的概念之后，这项新的土壤修复技术逐渐成为了研究热点，而“超富集植物”由于其特殊的重金属富集和耐性能力，以及在植物修复中的潜力而受到广泛关注。近10年来，以锌镉超富集植物Thlaspi caerulescens和Arabidopsis halleri为模式植物，国内外研究者对超富集植物的金属耐性和富集机理的研究获得了很大进展，但对多金属富集和耐性机理的研究尚不多见。
圆锥南芥(Arabis paniculata Franch.)是在国内最大的铅锌矿--云南省兰坪县铅锌矿发现的一种Zn/Cd/Pb多金属耐性和超富集植物，它的发现丰富了我国超富集植物的种类，为研究金属富集机理尤其是多金属的富集和耐性机理提供了很好的研究材料。本论文以圆锥南芥为材料，通过营养液培养方式，研究内容涉及以下几个方面：研究非蛋白巯基在圆锥南芥Zn、Cd吸收络合过程中的作用；研究Zn/Cd复合处理下圆锥南芥对Zn、Cd的吸收模式、以及抗氧化酶在减轻Zn、Cd氧化胁迫中的作用；利用蛋白质组学方法研究圆锥南芥在Zn、Cd处理下的差异表达蛋白，探讨这些差异蛋白如何参与Zn、Cd胁迫的生理代谢途径，从而进一步了解圆锥南芥体内Zn/Cd的耐性解毒机理。论文主要有以下几点研究发现：
(1)研究了圆锥南芥的植物络合素(PCs)和谷胱甘肽(GSH)以及其他非蛋白巯基对Cd的响应。应用γ-谷胱酰胺半胱氨酸合成酶抑制剂(BSO)评价PCs在圆锥南芥的Cd富集和耐性中的作用。实验表明，除了最高浓度处理外，2周或3周的Cd处理对植物的生物量没有影响。圆锥南芥能够耐受≤100μM Cd的3周处理，且地上和根部的Cd含量分别达到1,127 mgkg-1 Cd和5，624 mg kg-1 Cd。所有处理地上部均未检测到PCs，表明其没有参与Cd从圆锥南芥根部向地上部的转运过程。Cd处理增加了圆锥南芥根部GSH和PCs的含量，添加BSO后减少了植物根部Cd的富集，同时植物根部PCs: Cd的摩尔比接近植物体内PC调节Cd络合的比例，这表明GSH和PCs在圆锥南芥根部Cd富集和络合机制中的潜在作用。同时，实验观察到Cd处理下圆锥南芥根部有很强的硫代谢过程，除了Cd诱导PCs的合成外，实验还分离检测到Cd诱导出的未知非蛋白巯基，质谱结构鉴定其可能的结构为(γ-EC)2,(γ-EC)2-Pro以及(γ-EC)3-Pro，其中(γ-EC)2-Pro与(γ-EC)3-Pro未见文献报导，有可能为新的异植物络合素，这需要进一步的鉴定。
(2)研究了不同Zn浓度处理下(control，100，250，500，1000和2000μM Zn)圆锥南芥的Zn耐性和富集，以及非蛋白巯基的响应。Zn处理3周的植物生物量没有受到影响，而且与对照处理的相比鲜重，100-500μM Zn处理的植物鲜重分别比对照处理高18％和37.5％。除了在最高Zn处理的根部，植物膜稳定和脂膜过氧化指标没有受到圆锥南芥根部高浓度的Zn含量(9，025-12,892 mg kg-1)和地上部的Zn含量(777-6030 mg kg-1)的影响。植物地上部GSH含量和脂膜过氧化的程度呈现相反的变化趋势，表明GSH在防止细胞氧化胁迫方面具有一定作用。高Zn处理(1000和2000μM Zn)可诱导根部的半胱氨酸含量显著增大，但仅诱导出PC4和一个微量的未知非蛋白巯基。实验表明PCs与圆锥南芥的Zn络合和富集机理无关，但GSH与Cys可能分别参与了圆锥南芥地上部和根部对Zn响应的生理代谢过程。同时，对圆锥南芥根部的金属XRD分析表明，根部Zn的存在形式主要为ZnO和ZnS。
(3)研究了高低浓度的Zn(2000和100μM)和Cd(250和10μM)交互处理下圆锥南芥的Zn、Cd吸收模式和抗氧化酶响应。数据显示在低Zn、低Cd处理中，分别加入高Cd和高Zn减少了植物的Zn、Cd吸收，表明Zn、Cd吸收共用相同的转运通道导致Zn、Cd吸收的竞争。然而，在高Zn或高Cd处理中，分别加入Cd或Zn对植物的Zn、Cd吸收影响较小。实验表明圆锥南芥地上部和根部的Zn/Cd相互反应是剂量依赖的，这个过程可能由不同金属亲和力的富集机制调控。在高浓度处理下植物可能存在独立的高Cd吸收体系。Zn、Cd胁迫加剧了植物脂膜过氧化，但H2O2含量保持在一个相对稳定的水平，这也许与抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性的增强有关。其他抗氧化酶，如超氧化物歧化酶(SOD)和愈创木酚过氧化物酶(GPX)在Zn、Cd胁迫下没有显著的响应，而过氧化氢酶(CAT)活性下降。这表明在本实验测定的抗氧化酶防御中，APX是圆锥南芥体内最有效的清除H2O2,防御植物受重金属氧化胁迫的抗氧化酶。
(4)为了更好的了解圆锥南芥的金属耐性机理，本论文应用蛋白质组学方法结合生理指标来研究Zn、Cd胁迫下圆锥南芥地上部的差异蛋白响应。植物分别在Zn(100或2000μM)或Cd(10或250μM)处理10天。随着营养液中Zn或Cd浓度的增加，植物地上部Zn或Cd含量以及TBARs含量升高，而H2O2富集水平除了在250μM Cd处理之外均保持稳定。通过双向电泳分离了Zn、Cd胁迫下圆锥南芥地上部的蛋白响应，结果显示Zn、Cd处理分别诱导了15和16个差异蛋白。选择这些差异表达蛋白点用于MALDI-TOF/TOF MS分析，分析结果与现有数据库搜索匹配。对蛋白进行功能分类后表明，以氨基酸和植物激素合成为主的能量新陈代谢过程以及涉及蛋白修复和信号传递的蛋白代谢过程是圆锥南芥Zn胁迫下主要的蛋白响应防御机制，而外源化合物/抗氧化防御以及包括细胞合成和细胞壁结构组织的细胞新陈代谢机制是圆锥南芥Cd胁迫下主要的蛋白响应防御机制。Zn、Cd胁迫下圆锥南芥差异蛋白的鉴定为了解超富集植物金属耐性的分子机制提供了新的视野。